مطالعه عددی اندرکنش تونل‌های زیر‌زمینی با گسل نرمال

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

4 دانشجوی دکتری راه و ترابری، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در بسیاری از موارد، تونل‌ها به عنوان زیرساخت‌های حیاتی در حمل‌و‌نقل شهری در مناطق لرزه‌خیز و در مجاورت گسل‌ها احداث می‌شوند. در هنگام وقوع زلزله، در اثر جابجایی تفاضلی طرفین گسل، سطح زمین دچار گسیختگی شده و می‌تواند به سازه‌های زیرسطحی در مجاورت گسل خسارات جدی وارد سازد. بررسی زلزله‏های گذشته مانند زلزله‌های ترکیه و تایوان در سال 1999 نشان می‌دهدکه با اجتناب از ساخت و ساز در پهنه‌ی گسل نمی‌توان به‌طور کامل سازه‌ها را از تهدیدات ناشی از گسلش در امان داشت. بنابراین، درک درست مکانیزم‌های موجود در فرایند انتشار گسلش و اندرکنش آن با سازه‌های زیر‌سطحی می‌تواند در طراحی منطقی و کاهش خطرات ناشی از گسلش راهگشا باشد. در این تحقیق، پس از صحت‌سنجی مدل‏سازی عددی المان محدود ABAQUSبا نتایج مدل فیزیکی، به مطالعه اندرکنش گسل نرمال با تونل‌های زیر‌زمینی پرداخته می‌شود. تأثیر پارامترهای مختلف مانند موقعیت تونل نسبت به مسیر گسلش در حالت آزاد، عمق تونل، صلبیت تونل و زاویه گسل بر اندرکنش گسل و تونل بررسی می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد که قرارگیری تونل در ناحیه برشی در خاک موجب انحراف مسیر گسلش می‌شود و مشخص شد که عمق مدفون تونل و قطر آن از پارامترهای مؤثر در گسترش ناحیه برشی در گسلش نرمال در خاک و تغییر‌شکل سطحی زمین است. مقایسه نتایج عددی بیانگر این است که میزان تغییرمکان سطحی در حالت گسل با زاویه 45 درجه نسبت به حالت 60 درجه بیشتر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical study on interaction of normal fault with underground tunnels

نویسندگان [English]

  • Sadegh Ghavami 1
  • Alireza Saeedi Azizkandi 2
  • Mohammad Hasan Baziar 3
  • Hamid Jahanbakhsh 4
1 School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
4 Dept. of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In many cases, tunnels that are considered critical underground infrastructure for urban transportation are built in high seismicity areas and active fault zones. Fault displacements during earthquakes may interact with sub-surface structures leading destructions. Recent earthquakes, such as the 1999 earthquakes in Turkey and Taiwan, revealed that by avoiding construction in the fault zone, the structures are not completely safe for fault threats. Therefore, it is necessary to evaluate the interaction mechanism between structures and fault rupture for effective design to reduce the hazards associated with surface faulting. Verified finite element modeling is used in this study to investigate normal fault-tunnel interaction. The effect of different parameters such as horizontal tunnel distance relative to rupture path in free field condition, tunnel depth, tunnel rigidity, and fault angle on fault–tunnel interaction are studied. The results indicated that the tunneling in the path of fault rupture causes a diversion of rupture path. The burial depth of the tunnel and its diameter are effective parameters in the propagation of the shear zone in the sand layer and surface deformations. With increasing the tunnel depth, the rupture path inclines more, and the shear zone is extended over a wider area. Comparison of numerical results demonstrated that surface displacement in normal fault of dip angle 45° is higher than 60°.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Normal fault
  • Underground Tunnels
  • Interaction
  • Numerical modeling
Ashtiani, M., Ghalandarzadeh, A., Mahdavi, M. and Hedayati, M. 2018. “Centrifuge modeling of geotechnical mitigation measures for shallow foundations subjected to reverse faulting”. Can. Geotech. J., 55(8): 1130-1143.

Baziar, M. H., Nabizadeh, A., Mehrabi, R. and Lee, C. J. 2016. “Evaluation of underground tunnel response to reverse fault rupture using numerical approach”. Earthq. Eng. Struct. Dyn., 83: 1–17.

Bransby, M. F., Davies, M. C. R., El Nahas, A. and Nagaoka, S. 2008. “Centrifuge modeling of reverse fault-foundation interaction”. Bull. Earthq. Eng., 6(4): 607-628.

Bray, J. D. 2001. “Developing mitigation measures for the hazards associated with earthquake surface fault rupture”. Seismic Fault-induced Failures Workshop, Japan Society for the Promotion of Science, University of Tokyo.

Dalgic, S. 2002. “Tunneling in squeezing rock, the Bolu tunnel, Anatolian Motorway, Turkey”. Eng. Geol., 67: 73-96.

Dowding, C. H. and Rozen, A. 1978. “Damage to rock tunnels from earthquake shaking”. J. Geotech. Eng. Div., Amer. Soc. Civ. Eng., 104(GT2): 175-191.

Ghavami, S., Mohammadi, M. and Rajabi, M. 2018. “An overview of mitigation measures for the fault rupture hazards in surface and subsurface structures”. 3rd Iranian Conference on Geotechnical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.

Kiani, M., Akhlaghi, T. and Ghalandarzadeh, A., 2016. “Experimental modeling of segmental shallow tunnels in alluvial affected by normal faults”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 51: 108-119.

Kontogianni, V. and Stiros, S. 2003. “Earthquakes and seismic faulting: Effects on tunnels”. Turk. J. Earth Sci., 12: 153-156.

Lin, M. L., Chung, C. F., Jeng, F. S., and Yao, T. C. 2007. “The deformation of overburden soil induced by thrust faulting and its impact on underground tunnels”. Eng. Geol., 92: 110-132.

Lin, M. L., Jeng, F. S., Wang, H. J., Wang, C. P., Chung, C. F., Yao, D. C. T. and Chan, S. J. 2005. “Response of soil and a submerged tunnel during a thrust fault offset based on model experiment and numerical analysis”. Proceedings of ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, Denver, Colorado USA, paper No. PVP2005-71179.

Nabizadeh, A. 2014. “Experimental and numerical modeling of interaction between dip slip faulting and tunnel in sandy soil layer”. Ph.D. Dissertation in Geotechnical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.

Saeedi Azizkandi, A., Ghavami, S., Baziar, M. H. and Heidari Hasanaklou, S. 2019. “Assessment of damages in fault rupture–shallow foundation interaction due to the existence of underground structures”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 89: 222-237.

Sugimura, Y., Miura, S. and Konagai, K. 2001. “Damage to Shihkang dam inflicted by faulting in the September 1999 Chichi earthquake”. Seismic Fault Induced Failures, 143-154.